Что такое фрезеровка: виды, схемы и режимы резания

Суть фрезерования — в двух движениях. Главное движение — вращение фрезы, движение подачи — перемещение заготовки или самой фрезы. На портальном ЧПУ-станке лист лежит неподвижно, а фреза по программе идёт вдоль осей X, Y и Z. Резание прерывистое: каждый зуб режет только часть оборота, остальное время идёт вхолостую. Поэтому зуб входит в материал с ударом, а нагрузка на фрезу пульсирует с частотой входа зубьев.

Фрезерная обработка отличается от точения и сверления тем, что вращается и что движется:

На токарном станке вращается заготовка, а резец срезает с неё слой. Сверло вращается и идёт вдоль оси, поэтому делает только круглое отверстие. Фреза движется в плоскости заготовки и по глубине, поэтому вырезает контуры, пазы и карманы. Валы и втулки удобнее точить, а плоскую деталь с карманами — фрезеровать.

Какие бывают фрезерные станки?

Фрезерные станки различают по компоновке и уровню автоматизации:

• вертикальные: шпиндель расположен вертикально, фреза работает сверху вниз;
• горизонтальные: шпиндель расположен горизонтально, на оправке закрепляют цилиндрические и дисковые фрезы;
• универсальные: стол или головка поворачиваются, поэтому станок подходит для единичных и ремонтных работ;
• обрабатывающие центры с ЧПУ: инструмент меняется автоматически, осей несколько — центр подходит для серий корпусов;
• портальные станки с ЧПУ для листовых материалов: лист лежит на столе, портал со шпинделем движется над ним.

Виды фрезерной обработки различают по типу фрезы и положению её оси относительно обрабатываемой поверхности. На ЧПУ плоские детали из листа обычно фрезеруют концевой фрезой, остальные виды нужны для плоскостей, профилей и специальных операций. Основные виды сведены в таблице:

Резьбо- и зубофрезерование — специальные операции для резьб и зубчатых колёс.

Цилиндрическое фрезерование

Цилиндрическое фрезерование — это обработка плоскости периферией цилиндрической фрезы, ось которой параллельна поверхности. Зубья фрезы прямые или винтовые, а сама она закреплена на оправке горизонтального станка. Винтовые зубья врезаются в материал плавнее прямых: каждый зуб входит в резание постепенно, вдоль винтовой линии. На ЧПУ тот же принцип даёт боковое фрезерование концевой фрезой, когда стенку контура или уступа формирует её периферия.

Торцевое фрезерование

Торцевое фрезерование — это обработка плоскости торцевой фрезой, ось которой перпендикулярна поверхности, а зубья расположены на торце и периферии. Для плоскостей оно производительнее цилиндрического: одновременно режет больше зубьев. Диаметр D торцевой фрезы берут больше ширины фрезерования B: в учебниках D ≈ (1,25…1,5)·B, то есть для полосы 80 мм берут фрезу Ø100–120 мм.

Не путать. В мебельном производстве «торцевым фрезерованием» нередко называют другую операцию: паз или выборку в торце плиты. Английское end milling в машинных переводах часто ошибочно передают как «торцевое»; правильно — концевое фрезерование, а торцевому соответствует face milling.

Фрезерование плоскостей: торцевое или цилиндрическое?

Фрезерование плоскостей, или фрезерование плоских поверхностей, выполняют торцевой фрезой на вертикальных станках либо цилиндрической на горизонтальных. Узкую полосу фреза снимает за один проход, а большую плоскость обрабатывают несколькими дорожками с перекрытием, чтобы между проходами не оставалось необработанной полосы. На плоскостность влияют жёсткость крепления и равномерность припуска.

Концевое фрезерование: пазы, карманы, контуры

Концевое фрезерование выполняет концевая (пальцевая) фреза, ось которой перпендикулярна плоскости детали: дно формирует торец фрезы, стенки — её периферия. Это основная операция фрезерного станка с ЧПУ при обработке листа: контур с коррекцией на радиус, пазы, уступы, карманы и отверстия. Внутренний угол кармана не может быть острым: его радиус не меньше радиуса фрезы. Как указать радиусы и допуски, описано в требованиях к чертежам.

Фасонное фрезерование

Фасонное фрезерование выполняют фасонной (фасочной, радиусной или профильной) фрезой, профиль зубьев которой повторяет профиль поверхности. Так снимают фаски, скругляют кромки и формируют профили. В мебельной отрасли фрезеровкой МДФ нередко называют и сам рисунок на фасаде: канавки, филёнки и рельеф на фасадах из МДФ. Как такие рисунки фрезеруют и какой МДФ под них нужен, разобрано в статье про виды фрезеровки фасадов МДФ.

Фрезеровка отверстий: как её выполняют?

Фрезеровка отверстий — это вырезание отверстия движением фрезы по траектории вместо врезания сверла вдоль оси. Три способа:

• круговая интерполяция: фреза обходит окружность нужного диаметра в плоскости, слой за слоем;
• винтовая интерполяция: фреза идёт по спирали и заглубляется;
• контурная выборка: фреза идёт по контуру, который задаёт программа; так делают овалы, шлицы, ступенчатые отверстия и гнёзда под головки винтов.

Так одной концевой фрезой получают отверстия разных диаметров, больших диаметра самой фрезы. Для типовых диаметров в серии быстрее сверло.

Что такое объёмное (3D) фрезерование?

Объёмное (3D) фрезерование — это обработка рельефной поверхности сферической или радиусной фрезой: угол между осью фрезы и поверхностью меняется вдоль траектории. Фреза идёт растром, параллельными проходами; шаг между проходами задаёт высоту гребешков, остающихся на поверхности. Сначала выполняют черновую обработку, затем чистовую с малым шагом. Так по 3D-модели делают рельефы, формы и 3D-резьбу по дереву.

Попутное фрезерование — это схема, при которой зубья фрезы в зоне резания движутся по направлению подачи: зуб врезается сразу на полную толщину стружки, и она уменьшается до нуля. Встречное — схема, при которой зубья движутся навстречу подаче, и стружка нарастает от нуля до максимума.

Правило «встречное — для черновой обработки, попутное — для чистовой» осталось от ручных станков. В винтовой паре подачи есть люфт, и при попутном фрезеровании фреза затягивает стол рывками. На станках с ЧПУ шарико-винтовые передачи работают практически без люфта, поэтому попутное фрезерование там основное и для черновых, и для чистовых проходов. Встречное остаётся для заготовок с коркой или окалиной, закалённого слоя и станков с люфтом подачи.

Для дерева, фанеры и пластика на выбор влияет ещё кромка: сколы ламината или шпона, ворс, оплавление. Поэтому направление прохода проверяют пробным резом.

Схема фрезерования — это расположение фрезы относительно заготовки и направление подачи. В учебниках схемы различают так:

• по направлению подачи: встречная и попутная;
• по положению оси торцевой фрезы: симметричная (ось фрезы совпадает с осью заготовки) и несимметричная (ось смещена); для производительных режимов берут несимметричную;
• по положению шпинделя: вертикальная и горизонтальная.

На ЧПУ добавляются траектории, которые задаёт программа. В CAM-системах обычно используют пять траекторий:

1. Контур, внешний или внутренний, с коррекцией на радиус фрезы: программа ведёт центр фрезы на расстоянии радиуса от линии чертежа.
2. Карман зигзагом или спиралью: фреза снимает материал слой за слоем.
3. Адаптивная (трохоидальная) обработка: малая ширина (ae) и большая глубина (ap) резания, ровная нагрузка на фрезу; так фрезеруют глубокие пазы.
4. Спиральное или наклонное врезание вместо вертикального погружения: фреза входит в материал постепенно, и торец не перегружается.
5. 3D-растр или эквидистанта с шагом, затем чистовой проход.

Направление обхода контура определяет, будет фрезерование встречным или попутным. Для шпинделя, вращающегося по часовой стрелке (вид сверху), попутное фрезерование получается, когда обрабатываемая стенка детали остаётся справа от фрезы по ходу движения. Поэтому внешний контур обходят по часовой стрелке, а карман — против часовой. Схему задают в CAM-системе: от неё зависят длина траектории и число проходов, то есть машинное время.

Режимы резания при фрезеровании — это набор параметров: скорость резания (или частота вращения шпинделя), подача на зуб и минутная подача, глубина и ширина резания. От них зависят производительность, шероховатость поверхности, стойкость фрезы и нагрузка на станок. Элементы режима резания, их обозначения и формулы:

Здесь D — диаметр фрезы, мм; z — число зубьев; L — длина траектории вместе с врезанием и выходом, мм; i — число проходов.

Учебники и каталоги обозначают глубину по-разному. В учебниках для всех видов, кроме торцевого и шпоночного, глубина резания t — это размер поперёк оси фрезы, то есть ae. Ширина B — размер вдоль оси, то есть ap. В торцевом фрезеровании наоборот: t — вдоль оси, B — поперёк. В каталогах инструмента и CAM-системах используют ap и ae, поэтому в таблице именно они.

Формула скорости резания и частоты вращения

Скорость резания V — это окружная скорость режущей кромки в м/мин. Она связана с диаметром фрезы и частотой вращения формулой V = π·D·n / 1000. На станке задают частоту вращения: n = 1000·V / (π·D). Чем меньше диаметр, тем больше оборотов нужно для той же скорости резания: при V = 300 м/мин фрезе Ø12 мм нужно около 8 000 об/мин, а фрезе Ø6 мм — вдвое больше.

Подача на зуб и минутная подача

Подача на зуб Sz — это путь, который проходит фреза за время поворота на один зуб. Подача на оборот So = Sz·z, минутная подача Sm = Sz·z·n. Значения Sz берут из каталога инструмента. Если подача мала, зуб скользит по материалу и почти не режет: металл налипает, дерево подгорает, пластик оплавляется, фреза быстрее тупится. Если подача велика, растёт нагрузка: фреза изгибается, оставляет риски или ломается.

Глубина и ширина резания: как выбирают

Глубина резания ap — это толщина слоя, который фреза снимает за проход вдоль своей оси. Ширина ae — это ширина контакта фрезы с заготовкой поперёк оси. Предел глубины и ширины задают мощность шпинделя, жёсткость станка и вылет фрезы. Чем длиннее вылет из патрона, тем сильнее изгибается фреза, поэтому слой за проход берут меньше. Полный паз, где фреза режет всей шириной, — самый тяжёлый режим: стружку трудно отвести, нагрузка максимальна. Большой слой снимают несколькими черновыми проходами, а последний делают чистовым, с малым припуском.

Пример расчёта режимов резания

Условный пример: контур длиной 1,2 м в алюминиевом листе 6 мм.

Объём стружки для варианта с тремя проходами (ap = 2 мм, ae = 6 мм): Q = 2·6·1 280 / 1000 ≈ 15 см³/мин. Это условные значения для пояснения формул; реальные режимы зависят от фрезы, материала и жёсткости станка.

Какую скорость резания брать для алюминия, дерева, пластика и карбона?

Скорость резания для алюминия, дерева, пластика и карбона берут из каталога производителя конкретной фрезы: единого числа нет — оно зависит от марки материала, геометрии зуба и покрытия. Режим резания при фрезеровании подбирают под материал, а неудачный режим видно на кромке:

Вид, схема и режим определяют машинное время: To = L·i / Sm — длина траектории, умноженная на число проходов и делённая на минутную подачу. Цена складывается из машинного времени, наладки (закрепление, привязка нуля) и материала, если его поставляем мы. Машинное время увеличивают пять факторов:

• глубокие узкие карманы: нужна длинная тонкая фреза, режимы ниже (паз шириной 6 мм и глубиной 20 мм требует фрезы Ø5–6 мм с длинной режущей частью);
• малые внутренние радиусы: нужна тонкая фреза, подача меньше (радиус R1 требует фрезы не толще Ø2 мм);
• жёсткие допуски и малая шероховатость: нужен дополнительный чистовой проход;
• твёрдые или абразивные материалы, например карбон: скорость резания ниже;
• обработка с двух сторон: на 3-осевом станке деталь переустанавливают.

Что указать в чертеже

Плоские детали принимаем в DXF и DWG, объёмные — в STEP, IGES и STL; также AI, CDR и PDF. Если чертежа нет, достаточно эскиза или фото с размерами.

У наших фрезерных станков с ЧПУ для листовых материалов шпиндель 3 кВт и рабочие поля 1250×2000 и 800×1200 мм. Точность позиционирования — 0,05 мм, повторяемость — 0,02 мм; фрезеруем алюминий, дерево, фанеру, МДФ, пластики, карбон и композиты, делаем 3D-резьбу. Материалы и условия работы — на странице фрезерные работы на ЧПУ, ориентировочные тарифы — в разделе цена фрезерных работ.

• Википедия (укр.): Фрезерование (материалообработка)
• Sandvik Coromant: Milling formulas and definitions (англ.)
• Harvey Performance: Climb Milling vs. Conventional Milling (англ.)
• Булига Ю. В. и др. Теория резания. Расчёт режимов резания: практикум. Винница: ВНТУ, 2019 (укр.)